ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROMECHANIKY A VÝKONOVÉ ELEKTRONIKY BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROMECHANIKY A VÝKONOVÉ ELEKTRONIKY

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Optimalizace ohřevu užitkové vody z pohledu chytrých sítí

Petr Matějka

2013

Optimalizace ohřevu užitkové vody z pohledu chytrých sítí

Petr Matějka

2013


Petr Matějka

2013

Abstrakt Předkládaná bakalářská práce je zaměřena na analyzování možností ohřevu užitkové vody s napojením do elektrizační soustavy se systémem HDO a poté napojením na systémy chytrých sítí.

Klíčová slova Zásobníkový ohřívač vody, TUV, přímý ohřev, nepřímý ohřev, tepelný výměník, účinnost, akumulace, HDO, chytré sítě.


Petr Matějka

2013

Abstract The bachelor thesis focuses on analyzing the possibility of domestic hot water with a connection to the power grid running HDO and then connected to the smart grid systems.

Key words Water Heater, TUV, direct heating, indirect heating, heat exchanger, efficiency, accumulation, HDO, smart Grid.


Petr Matějka

2013

Prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci vypracoval samostatně, s použitím odborné literatury a pramenů uvedených v seznamu, který je součástí této bakalářské práce. Dále prohlašuji, že veškerý software, použitý při řešení této bakalářské práce, je legální.

............................................................ podpis

V Plzni dne 7.6.2013

Petr Matějka


Petr Matějka

2013

Poděkování Tímto bych rád poděkoval vedoucímu bakalářské práce Ing. Aleši Krutinovi za cenné profesionální rady, připomínky a metodické vedení práce. Dále bych chtěl poděkovat celé mé rodině, která mě podporovala při studiu na vysoké škole.


Petr Matějka

2013

Obsah OBSAH ................................................................................................................................................................... 7 SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK .................................................................................................................. 9 ÚVOD ................................................................................................................................................................... 10 1

ZPŮSOBY OHŘEVU UŽITKOVÉ VODY ............................................................................................... 11 1.1 ZÁKLADNÍ ROZDĚLENÍ ............................................................................................................................ 11 1.2 PŘÍMÝ OHŘEV ......................................................................................................................................... 11 1.2.1 Zásobníkový ohřev TUV ................................................................................................................. 11 1.2.2 Průtokový ohřev TUV..................................................................................................................... 13 1.2.3 Smíšený ohřev TUV ........................................................................................................................ 15 1.2.4 Elektrodový ohřev TUV .................................................................................................................. 15 1.2.5 Ohřívače na tuhá paliva ................................................................................................................. 16 1.3 NEPŘÍMÝ OHŘEV ..................................................................................................................................... 17 1.3.1 Výměníky tepla ............................................................................................................................... 17 1.3.2 Ohřev tepelným čerpadlem ............................................................................................................ 18 1.3.3 Ohřev pomocí sluneční energie ...................................................................................................... 19 1.3.4 Ohřev TUV z teplárny .................................................................................................................... 20 1.4 KOMBINOVANÝ OHŘEV TUV .................................................................................................................. 21

2

VÝPOČET ÚČINNOSTI OHŘEVU VODY ............................................................................................. 22 2.1 2.2

3

ÚČINNOST ELEKTRICKÉHO OHŘEVU ........................................................................................................ 22 ÚČINNOST OHŘEVU PŘES TEPELNÝ VÝMĚNÍK.......................................................................................... 23

MOŽNOSTI AKUMULOVÁNÍ ENERGIE DO VODY .......................................................................... 25 3.1 AKUMULACE V PODOBĚ PŘEČERPÁVACÍ ELEKTRÁRNY ........................................................................... 25 3.1.1 Nádrž s umělou akumulací vody .................................................................................................... 25 3.1.2 Nádrž se smíšenou akumulací vody................................................................................................ 25 3.1.3 Princip PVE ................................................................................................................................... 25 3.1.4 PVE Dlouhé stráně ........................................................................................................................ 26 3.1.5 PVE Dalešice ................................................................................................................................. 26 3.1.6 PVE Štěchovice II. ......................................................................................................................... 27 3.1.7 PVE Černé jezero ........................................................................................................................... 27 3.2 AKUMULACE CITELNÉHO TEPLA ............................................................................................................. 27

4

AKUMULACE ENERGIE Z POHLEDU ELEKTRIZAČNÍ SOUSTAVY ........................................... 28 4.1 SYSTÉM HROMADNÉ DÁLKOVÉ OVLÁDÁNÍ (HDO) ................................................................................. 28 4.1.1 Princip HDO .................................................................................................................................. 29 4.1.2 Kódy HDO ..................................................................................................................................... 29 4.1.3 Časy spínání HDO ......................................................................................................................... 30 4.1.4 Zařízení k funkci ............................................................................................................................. 30 4.1.5 Spotřebiče ovládané systémem HDO ............................................................................................. 30 4.2 CHYTRÝ ZÁSOBNÍKOVÝ OHŘÍVAČ VODY ................................................................................................. 31

5

OPTIMALIZACE OHŘEVU Z POHLEDU CHYTRÝCH SÍTÍ ............................................................ 32 5.1 5.2 5.3 5.4

ASPEKTY K ZAVEDENÍ CHYTRÝCH SÍTÍ ................................................................................................... 32 CO JSOU CHYTRÉ SÍTĚ ............................................................................................................................. 32 CHYTRÝ ELEKTROMĚR A JEHO POUŽITÍ ................................................................................................... 33 CHYTRÉ SÍTĚ V ČESKÉ REPUBLICE ......................................................................................................... 34

ZÁVĚR ................................................................................................................................................................. 34

7


Petr Matějka

2013

SEZNAM LITERATURY A INFORMAČNÍCH ZDROJŮ ............................................................................ 36

8


Seznam symbolů a zkratek η [-] .................... Účinnost PP [W]................. Příkon U [V] .................. Elektrické napětí E [W. h].............. Energie T [s] .................... Čas Q [m3/ h] ............ Průtok Q [J] ................... Teplo ρ [kg/ m3] ........... Hustota látky ∆t [◦C]................. Rozdíl vstupní teploty t1 a výstupní teploty t2 T1 [◦C] ................. Vstupní teplota T2 [◦C] ................ Výstupní teplota m [kg] ................. Hmotnost V [m3] ................ Objem cJ [J/ kg. K] ........ Měrná tepelná kapacita v J cWh [W. h/ kg. K] Měrná tepelná kapacita ve Wh f [Hz] .................. Frekvence TUV ................... Teplá užitková voda CZT .................... Centralizované zásobování teplem DDZ ................... Denní diagram zatížení HDO ................... Hromadné dálkové ovládání PVE .................... Přečerpávací vodní elektrárna ES ....................... Elektrizační soustava VT ...................... Vysoký tarif NT ...................... Nízký tarif Tzv. ................... Tak zvaně

9

Petr Matějka

2013


Petr Matějka

2013

Úvod Předkládaná práce je zaměřena na různé druhy ohřevu užitkové vody za pomocí připojení do elektrizační soustavy se systémem hromadného dálkového ovládání (HDO), který je velice hojně využívaný na celém území České Republiky, a kterým se také jako jedním z mnoha prostředků reguluje denní diagram zatížení, tak aby byla zajištěna rovnováha mezi výrobou a spotřebou. Spotřeba elektrické energie v posledních letech stále roste a s tím i její cena, proto požadavky každého spotřebitele jsou kladeny na co nejvyšší úsporu, v našem případě v České Republice je spořeno systémem HDO s nízkým cenovým tarifem. V zahraničí a už i u nás se rozvíjí nové distribuční sítě zvané ,,Smart grids”, neboli chytré sítě, které by měly mít daleko větší možnosti v úspoře a regulaci elektrické energie, než je doposud systémem HDO. K těmto distribučním sítí nové generace je také zaměřena část práce. Text je rozdělen do pěti částí, první se zabývá principy ohřevu teplé užitkové vody. Druhá část je výpočetní, kde je ukazováno na účinnost dvou vybraných principů ohřevu vody, z nichž jeden je pomocí přímého ohřevu a druhý pomocí nepřímého ohřevu. Třetí část popisuje druhy akumulací energie do vody. Čtvrtá část se věnuje akumulaci energie z pohledu napojení do elektrizační soustavy systémem HDO a poslední pátá část se věnuje systému chytrých sítí.

10


Petr Matějka

2013

1 Způsoby ohřevu užitkové vody 1.1 Základní rozdělení Ohřev teplé užitkové vody můžeme rozdělit do několika specifických hledisek: 1) Podle předávání tepla:  Přímý ohřev  Nepřímý ohřev 2) Podle typu konstrukce zařízení:  Zásobníkové  Průtočné  Smíšené 3) Podle počtu hlavních zdrojů:  Jednoduché => neustálý přívod energie (elektřina, plyn)  Kombinované => kombinace dvou zdrojů energie (elektřina s plynem; elektřina se solární energií) 4) Podle umístění zařízení:  Lokální => zařízení je umístěno v blízkosti odběrného místa  Centrální => pro více odběrných míst je instalováno jedno zařízení s ohřevem

1.2 Přímý ohřev Přímým ohřevem se myslí, že voda je ohřívána přímo teplem vzniklým průchodem proudu topným tělesem nebo vytvořeným teplem spalováním zemního plynu. ,,V elektrotepelných zařízeních odporových se mění energie elektrická v tepelnou podle Joulova zákona: prochází-li elektrický proud vodičem, vzniká ve vodiči teplo. Teplo se předává do okolí za současného růstu teploty samotného vodiče. Množství tepla je úměrné druhé mocnině proudu a elektrickému odporu vodiče.” [1] 1.2.1 Zásobníkový ohřev TUV Zásobníkové ohřívače vody volíme obvykle tam, kde je potřeba většího množství teplé vody pro větší počet odběrných míst nezávisle na sobě. Nebo také tam kde nelze zabudovat průtokový ohřev z důvodu energetické náročnosti. Tyto nádoby jako zásobníky jsou dobře

11


Petr Matějka

2013

tepelně izolované tak aby měly co nejmenší tepelné ztráty. Vnitřek nádoby je nejčastěji vyroben z nerezové oceli nebo oceli samotné s vrstvou smaltu proti korozi. 1.2.1.1 Elektrický zásobníkový ohřívač vody V elektrických zásobníkových ohřívačích vody se pomocí zabudovaných topných spirál mění energie elektrická na energii tepelnou. Teplota vody v zásobníku je regulována termostatem, který vypíná při dosažení teploty vody cca. 85◦C. Obvyklý objem zásobníku se pohybuje v rozmezí od 80 až po 300 litrů teplé vody. Voda se ohřívá většinou v nočních hodinách, zhruba od 22 h do 6 h, nebo i ve vybraných denních hodinách při zapnutí HDO (se sníženou sazbou). [1] 1.2.1.1.1 Výhody 

teplota vody je konstantní => při vytékání je teplota vody stálá až do vyčerpání



téměř ihned k dispozici teplá voda => není potřeba čekat, až se topné spirály ohřejí



jeden zásobníkový ohřívač pro byt či dům => s instalovaným cirkulačním oběhem zaručí v místě odběru vytékající teplou vodu [2]

1.2.1.1.2 Nevýhody  Větší spotřeba elektrické energie => teplota vody v cirkulačním okruhu a v ohřívači mírně klesá a je proto nutné jí zahřívat, i přesto, že nedochází ke spotřebě  Množství vody ke spotřebě je omezené => je omezeno velikostí zásobníku a ohřátou vodou v zásobníku [2]

Obr. 1.1: Elektrický zásobníkový ohřívač vody [3] 12


Petr Matějka

2013

1.2.1.2 Plynový zásobníkový ohřívač

Plynové zásobníkové ohřívače se dělí podle způsobu odtahu zplodin. Ohřívač může mít konstrukci odvádění zplodin do komína, přes zeď, do místnosti, s přirozeným nebo nuceným odtahem zplodin. Teplota vody se udržuje pomocí termostatické regulace, tak že při poklesu teploty vody hořák sepne. Ohřívání vody není závislé na časovém intervalu, tudíž se ohřívá v jakoukoliv hodinu. [2]

Obr. 1.2: Schéma plynového zásobníkového ohřívače [4]

1.2.2 Průtokový ohřev TUV Průtokové ohřívače disponují podstatně větším topným výkonem na ohřátí studené vody, než je u zásobníkových ohřívačů. Voda se začne ohřívat v okamžiku otevření vodovodní baterie a ohřívá se do té doby, než bude zavřena. Voda prochází výměníkem, který je zahříván zemním plynem nebo elektrickou energií. 1.2.2.1 Elektrický průtokový ohřívač vody Elektrický průtokový ohřívač pracuje s vysokou účinností, jelikož přeměněná elektrická energie na tepelnou okamžitě ohřívá vodu, která je následně ihned spotřebována. Vodu regulujeme termostatem na hodnotu 20 až 80◦C. Teplota vody vytékající z baterie je obtížně

13


Petr Matějka

2013

regulovatelná, avšak u komplikovanějších průtokových ohřívačů je voda regulována elektrickou regulací, která poskytne konstantní vytékající vodu. [5] 1.2.2.1.1 Výhody  vysoká účinnost => důvodem je krátká vzdálenost potrubí mezi ohřívačem a vodovodní baterií => zamezení tepelných ztrát  malá hmotnost a rozměry [6] 1.2.2.1.2 Nevýhody  vyšší spotřeba vody => je třeba nechat odpustit několik litrů vody, do té doby než začne vytékat voda na výstupu o stanovené teplotě  nutno instalovat proudový jistič, který je dimenzován na velké proudy  nutno instalovat samostatné ohřívače pro každou baterii, kuchyň či koupelnu  je třeba umístit ohřívač v blízkosti vodovodní baterie => velká vzdálenost mezi ohřívačem a baterií prodlužuje čas výtoku ohřáté vody a její spotřebu  u tohoto ohřevu nelze použít lacinější sazbu elektřiny  nekonstantní teplota vody na výstupu v závislosti otevření baterie => horká voda teče při malém průtoku, při větším průtoku je pak chladnější [6]

Obr. 1.3: Elektrický průtokový ohřívač vody nad umyvadlo [7]

1.2.2.2 Plynový průtokový ohřívač vody U plynového průtokového ohřívače se ohřev vody odehrává ve výměníku, který je vyroben z měděného plechu. Plynový hořák je zapálen v momentě poklesu tlaku vody, kdy uživatel otevře vodovodní baterii. Nejčastější plynové ohřívače jsou konstruovány s odtahem zplodin do komínu a přívodem vzduchu z prostoru kde je ohřívač instalován, ovšem jsou i otevřené ohřívače bez odtahu zplodin a uzavřené ohřívače s odtahem i přívodem zplodin 14


Petr Matějka

2013

nuceně. Starší plynové ohřívače mají trvale zapálené zapalovací hořáky oproti novějším typům, kde zapalování plamene je řešeno elektronicky při každém odběru vody. To v porovnání přináší úsporu zemního plynu ve výši cca. 1 200 Kč ročně. [5, 8]

Obr. 1.4: Plynový průtokový ohřívač Karma [9]

1.2.3 Smíšený ohřev TUV Smíšený ohřev je spojení ohřívače zásobníkového a průtokového. Zásobník o malém objemu 5 až 15 litrů je přidán k průtokovému ohřívači. Tento smíšený ohřev je podobný zásobníkovému ohřívači až na menší rozměrové provedení a nezbytný příkon. V praxi se obvykle používají tyto seskupení: 

Elektrický zásobník se zvětšeným výkonem topné spirály



Elektrický kotel s ohříváním zásobníku nepřímo



Plynový zásobník ohřívaný napřímo [5]

1.2.4 Elektrodový ohřev TUV Elektrodový ohřev využívá tepla, které vzniká přímým průchodem elektrického proudu ohřívanou látkou. Elektrický proud je veden tyčemi, které jsou vyrobeny pro malé příkony z grafitu nebo pro velké příkony z kovu. Elektrodové tyče mohou být trubkové nebo deskové. U tohoto ohřevu se používá výhradně střídavý proud, který zamezí vznik koroze a výbušných plynů. Hustota proudu, který prochází povrchem elektrod, se volí v rozmezí 0,5 až 1,5 A.cm-2. Elektrodové kotle jsou jednoduchá a levná zařízení, avšak proměnlivá elektrická vodivost vody ztěžuje výpočty elektrodových ohřevů, jelikož elektrická vodivost vody je závislá na teplotě a chemickém složení. U velkých průmyslových kotlů s velkým příkonem se voda musí chemicky upravovat. 15


Petr Matějka

2013

Regulace výkonu je prováděna změnou elektrické vodivosti vody nebo vzdáleností elektrod od sebe, či jejich společným přepojováním nebo také plochou elektrod. Elektrodové kotle se vyrábějí jak pro domácnost, tak pro průmysl. Kotle jsou konstruovány na napětí 230 V a 400 V, ale i na vysoká napětí dosahujících až 30 kV. U elektrodových kotlů s výkonem nad 2 MW na napětí vyšší než 6 kV, se provádí regulace prostřednictvím křemenných či porcelánových trubek, které jsou umístěny mezi elektrodami, tak aby proud změnil svou cestu. Tímto způsobem se mění elektrický odpor a tím pádem i výkon kotle. U těch největších výkonů se preferují trojfázové kotle. Ohřev vody může být ohříván i průtokovým elektrodovým kotlem, který se vyrábí od výkonu několika kilowatt až po několik megawatt a voda je ohřívána nejčastěji nočním proudem. [1]

Obr. 1.5: Jednofázový elektrodový kotel [10]

1.2.5 Ohřívače na tuhá paliva Tyto ohřívače jsou jedny z nejstarších a použití najdou spíše na chatách a všude tam kde není dostupný jiný zdroj energie, jako například zemní plyn. Jak z názvu vyplývá, jedná se o ohřev tuhým palivem, to je uhlí, dřevo a brikety. Tyto ohřívače neboli lázeňská kamna mají topeniště a nad ním je zásobník na vodu vyrobený z nerezové oceli o nejpoužívanějším objemu 100 litrů. Konstrukčně se vyrábí beztlakové a tlakové zásobníky. U tlakové varianty lze kamna připojit k vodovodnímu řádu.

16


Petr Matějka

2013

1.3 Nepřímý ohřev U nepřímého ohřevu se voda nejčastěji ohřívá topnou horkou vodou v tepelném výměníku, která je ohřívána kotlem na tuhá paliva, plynovým kotlem nebo teplou vodou ze vzdálené kotelny. 1.3.1 Výměníky tepla Slouží k předávání tepelné energie teplonosného média médiu ohřívanému. Nejčastější zdroj pro ohřev teplé užitkové vody bývá horká voda ohřívaná v kotli na tuhá paliva nebo plynovým kotlem. Důvodem použití výměníku je odlišnost teplonosných látek (nemrznoucí kapalina => voda; topná voda => voda) a také jiné tlakové poměry v okruzích. Mezi základní typy tepelných výměníků patří trubkový tepelný výměník a deskový tepelný výměník. 1.3.1.1 Trubkový tepelný výměník Z názvu je patrné, že tepelný výměník je konstruován z jedné nebo více stočených trubek. Jejich vnější povrch pak umožňuje přestup tepla. Charakteristické použití výměníků je v zásobnících teplé vody nebo také v akumulačních nádržích. Jelikož tyto výměníky mají nízký koeficient přestupu (to znamená, že k odevzdání poměrně malého výkonu je třeba velké přestupní plochy), používají se v systémech, které mají řádově několik desítek kilowat a současně není požadován malý rozdíl teplot topné a ohřívané kapaliny. [11]

Obr. 1.6: Trubkový tepelný výměník [11]

1.3.1.2 Deskový tepelný výměník Tento výměník se skládá ze slabých kovových desek, které jsou vzájemně spojeny letováním nebo svařením a konstrukce je tak nerozebíratelná. Pokud však požadujeme rozebíratelný výměník potom mezi desky vkládáme těsnění a je možné ho v budoucnu

17


Petr Matějka

2013

vyčistit. Tyto desky mají po celé šířce vylisované kanálky, kde jedním kanálkem proudí jedna kapalina, druhým sousedním kanálkem druhá kapalina a mezi každou deskou je těsnění. Na rozdíl od trubkových tepelných výměníků mají deskové výměníky až 10x větší koeficient přestupu. Použít je jako integrované už nelze a je nutnost aplikace dvou oběhových čerpadel, jak na stranu s topnou kapalinou tak na stranu s ohřívanou kapalinou. Nevýhodou je špatná těsnost při vyšších tlacích a dodržování čistoty obou médií, tak aby nedocházelo k zanesení kanálků. [5, 12]

Obr. 1.6: Deskový tepelný výměník [13]

1.3.2 Ohřev tepelným čerpadlem Tepelná čerpadla využívají energii, která je uložená slunečním zářením do vody, země a vzduchu. A podle toho se také tepelná čerpadla dělí: 

země/voda



voda/voda



vzduch/voda



vzduch/vzduch

Princip tepelného čerpadla vychází z podoby funkce chladničky. Čerpadlo má svůj uzavřený okruh se speciálním médiem, toto médiu je ve výparníku, které za nízké teploty pohlcuje energii. Kompresí chladiva získáme teplo, které následně putuje do kondenzátoru, kde předá svojí tepelnou energii vodě. Po předání chladivo zkapalní a celý průběh se opakuje. 18


Petr Matějka

2013

Například v České republice jsou dobré klimatické podmínky pro čerpadlo vzduch/voda, vzhledem k teplotě vzduchu v topné sezóně, která má v průměru cca. 3 ◦C, protože tepelné čerpadlo je schopné vytápět i při neuvěřitelně nízké teplotě -15◦C. [14, 15]

Obr. 1.7: Schéma funkce tepelného čerpadla [16]

1.3.3 Ohřev pomocí sluneční energie K ohřevu teplé užitkové vody se nejčastěji používají solární kolektory umístěné na střeše domu či přístavku se sklonem vůči vodorovné poloze od 30◦ do 45◦ stupňů. Solární kolektor jako samotný ovšem nestačí, proto ohřátá voda z kolektoru koluje do akumulační nádrže s tepelným výměníkem, kde předává svoji tepelnou energii užitkové vodě. Z hlediska užívání a provozu můžeme mít soustavu celoroční nebo sezónní, s oběhem teplonosného média samotížně či nuceně a jednookruhový nebo dvouokruhový systém. Obvykle používaný solární systém je dvouokruhový, tudíž lze využívat sluneční energii celoročně pomocí nemrznoucí směsi, která cirkuluje v okruhu. Účinnost solárního systému závisí na velikosti a typu kolektorů, volbě velikosti akumulační nádrže a typu výměníku. V dny, kdy sluneční aktivita není moc velká a venkovní teplota není přívětivá, lze teplou užitkovou vodu ohřívat plynovým kotlem či elektřinou. Na obrázku 1.8, je varianta s plynovým kotlem.

19


Petr Matějka

2013

Obr. 1.8: Schéma solárního systému s plynovým kotlem [17]

1.3.4 Ohřev TUV z teplárny Teplárna je výrobní místo energie elektrické a zároveň energie tepelné. Teplárna využívá k výrobě elektrické a tepelné energie výrobní technologii, která se nazývá kogenerace. Pojem kogenerace znamená maximální využití uložené energie v palivu tak, že určitá část energie z páry, je použita na výrobu elektrické energie a zbytek parní energie je využit na ohřev vody, vytápění a teplé užitkové vody neboli dodání tepla do sítí centralizovaného zásobování teplem [18]. Kogenerační výroba vypadá následovně: V kotli spalováním paliva, získáváme energii obsaženou v palivu, která se přeměňuje na energii tepelnou, tuto energii využíváme k přeměně procházející vody kotlem na páru. Páru, kterou vháníme do turbíny a je spojená s generátorem na výrobu elektřiny, posléze vstupuje do výměníkové stanice, kde dochází k předávání tepla. Ochlazená voda, která předala teplo, se vrací zpět do kotle. Výstavbu výměníkové stanice lze provést třemi způsoby podle druhu použití: 

Zapojení výměníkové stanice pro daný objekt (menší objekty => rodinné domy)



Zapojení centrální výměníkové stanice pro více objektů (bytové jednotky)

20




Petr Matějka

2013

Zapojení s transformační předávací stanicí s bytovými jednotkami pro jejich individuální regulaci vytápění a teplé užitkové vody v jednotlivých bytech

V praxi je nejčastější realizací bod jedna a dva, které budou více rozebrány. [18] 1.3.4.1 Zapojení výměníkové stanice pro menší objekty Výměníková stanice pro menší objekty nebo rodinné domy, je rozměrově malá a připojení z vodovodního řádu teplárny tlakově nezávislá. Pro předávání tepla z horkého primárního okruhu je použit deskový tepelný výměník, který předává teplo do sekundárního okruhu pro ohřev vody na vytápění a ohřev teplé užitkové vody. Sekundární okruh je poháněn dvěma čerpadly, která pohání okruh vytápění a okruh teplé užitkové vody. Ohřev teplé užitkové vody se provádí do akumulačního zásobníku, kdy teplota ohřívací vody je nastavitelná v rozmezí 50-80◦C. Volba velikosti akumulační nádrže je závislá na špičkovém odběru. Tato předávací stanice je řízena plně automatickým řídicím systémem. [18] 1.3.4.2 Zapojení centrální výměníkové stanice pro více objektů Tento typ zapojení teplárna využívá nejčastěji pro větší objekty, jako jsou například: nemocnice, školy, hotely, obytné domy, které odebírají teplou vodu proměnlivě ale i speciální průmyslové továrny, administrativní budovy, potravinářský průmysl, kde odběr teplé vody je stálý. Paralelní zapojení výměníků tepla a teplé užitkové vody v předávací stanici určují parametr teploty vody primárního okruhu do 180◦C. Ohřev teplé užitkové vody se taktéž realizuje pomocí akumulačních zásobníků. Použité tepelné výměníky jsou deskové, kde jednotlivé desky jsou vyrobené z nerezové oceli pájené mědí, pro zajištění nejefektivnějšího přestupu tepla. [18]

1.4 Kombinovaný ohřev TUV Ke kombinovanému ohřevu je zapotřebí zásobníkový ohřívač, který dokáže přijímat tepelnou energii ze dvou zdrojů. U kombinovaného ohřevu bývá nejčastěji kombinace přímého a nepřímého ohřevu vody. Zástupce přímého ohřevu je elektřina přeměněná v tepelnou energii v topné spirále a druhý zástupce nepřímého ohřevu je tepelný výměník (obvykle trubkový), ze kterého získáváme teplou užitkovou vodu pomocí topné vody, která je ohřívaná kotlem na tuhá paliva nebo plynovým kotlem. Zásobníkový ohřívač může být i konstruován na dva zdroje nepřímého ohřevu vody, v tom případě musí mít zásobník dva

21


Petr Matějka

2013

tepelné výměníky. Jeden tepelný výměník na okruh topné vody ohřívané kotlem na tuhá paliva či plynovým kotlem a druhý tepelný výměník na okruh s nemrznoucí kapalinou ohřívanou solárními kolektory.

Obr. 1.9: Zásobníkový ohřívač vody Dražice OKC s topnou spirálou a trubkovým tepelným výměníkem [19]

2 Výpočet účinnosti ohřevu vody Podle způsobu ohřevu teplé užitkové vody nám účinnost říká, jak účinná je přeměna elektrické energie nebo, jak je účinný přestup tepla přes výměník do ohřívané vody. Na to s jakou účinností je voda ohřívána těchto dvou principů ohřevu teplé vody se podíváme v následujících dvou kapitolách.

2.1 Účinnost elektrického ohřevu Výpočet účinnosti elektrického ohřevu vody pomocí topné spirály, která je součastí zásobníkového ohřívače TUV. Jak je již známo, elektrická energie je přeměňována v topné spirále na tepelnou energii podle Joulova zákona, toto vzniklé teplo je předáváno ohřívané vodě. K výpočtu jsem vybral zásobníkový ohřívač vody OKC 180 od firmy Dražice s objemem vody 180 litrů, který má vestavěnou topnou spirálu o příkonu 2200 W. Dále byla empiricky stanovena teplota vstupní přitékající vody do ohřívače 10◦C a výstupní vytékající vody 65◦C.

22


Petr Matějka

2013

Parametry:     

V = 180 l => m = 180 kg PP = 2200 W T1 = 10◦C T2 = 65◦C CWh = 1,163 W. h/ kg. K

Výpočet:

Potřebná energie k ohřátí 180 litrů vody z 10◦C na 65◦C:

E  m  cWh   t2  t1   180 1,163  65  10   11 514 Wh Doba ohřevu vody:

T

E 11 514   5, 23 h PP 2 200

Účinnost ohřevu:



E 11 514  100   100  100% P T 2 200  5,23

2.2 Účinnost ohřevu přes tepelný výměník U tohoto způsobu ohřevu, proudí horká topná voda do trubkového tepelného výměníku, který je zabudován v zásobníkovém ohřívači TUV a teplo je předáváno přes plochu vnější stěny trubky ohřívané vodě. K výpočtu jsem zvolil kombinovaný zásobníkový ohřívač vody OKC 180 od firmy Dražice. Tento ohřívač má vestavěný trubkový tepelný výměník jehož plocha činí 1,08 m2. Ohřívač disponuje objemem vody 175 litrů. Dále jsem zvolil oběhové čerpadlo Grundfos UPS 25-40, 180 mm, které zajistí oběh topné vody z kotle do tepelného výměníku. Čerpadlo je možné provozovat ve třech rychlostech průtoku, z nichž maximální průtok vody čerpadlem jsou 3 m3 za hodinu. Čerpadlo budeme provozovat na první rychlostní stupeň o průtoku 1 m3

23


Petr Matějka

2013

za hodinu. Kotel bude dodávat výstupní topnou vodu do výměníku o teplotě 70◦C a vstupní teplotou do kotle bude voda o teplotě 45◦C, přičemž přitéká vstupní voda do ohřívače o teplotě 10◦C a vytékající výstupní voda s teplotou 65◦C. Parametry:       

V = 175 l => m = 175 kg Q1s = 1 m3/ h => m = 1000 kg T2K = 70◦C T1K = 35◦C T2O = 65◦C T1O = 10◦C CWh = 1,163 W. h/ kg. K

Výpočet: Energie potřebná k ohřátí 175 litrů vody v ohřívači:

EO  m  cWh   t2O  t1O   175  1,163   65  10   11 194 Wh Energie odebraná výměníku za hodinu:

EV  m  cWh   t2 K  t1K   1000  1,163   70  45  29 075 Wh Účinnost ohřevu:



EO 11 194 100  100  38,5% EV 29 075

OKC 180 t2K t2O KOTEL

t1O t1K Obr. 2.1: Nepřímý ohřev výměníkem

24


Petr Matějka

2013

3 Možnosti akumulování energie do vody Na akumulaci energie do vody, lze pohlížet dvěma způsoby. Prvním způsobem je akumulace vody, která je využitelná k výrobě elektrické energie na okamžité dodání do sítě a druhým zcela odlišným způsobem je akumulace tepelné energie, která je nejčastěji akumulována do akumulačních zásobníků tepla.

3.1 Akumulace v podobě přečerpávací elektrárny Vodní přečerpávací elektrárny se využívají ke špičkové výrobě elektrické energie, která je akumulována v nádrži nad elektrárnou v podobě potencionální energie vody. Přečerpávací vodní elektrárna tedy vykrývá špičky denního diagramu zatížení v době nedostatku elektrické energie, kterou je nutno ihned dodat do elektrizační rozvodné sítě. Toto je jediný možný způsob jak lze skladovat velké množství elektrické energie po delší dobu. Přečerpávací elektrárny je nutno ještě rozlišovat podle nádrží: 

Nádrž s umělou akumulací vody



Nádrž se smíšenou akumulací vody

3.1.1 Nádrž s umělou akumulací vody Tyto horní nádrže jsou uměle vytvořené a nemají vlastní přirozený přítok vody. Umělé hráze se staví jako sypané. Tudíž je zřejmé, že tyto elektrárny využívají uzavřeného koloběhu vody a voda se čerpá z dolní do horní nádrže a zpět. Odpařená či prosáklá voda se vždy doplňuje přítokem vody do spodní nádrže, proto je nutné spodní nádrž postavit u toku vody. 3.1.2 Nádrž se smíšenou akumulací vody Tyto nádrže jsou umístěny v toku řeky, kde je postavená přehrada a v té je spádové potrubí. Horní nádrž je tedy s přirozeným tokem, neboli s přirozenou akumulací vody. 3.1.3 Princip PVE Elektrárna disponuje dvěma nádržemi. Jedna je horní nádrž, která je vystavena na vyšším místě a do které se akumuluje elektrická energie a druhá je dolní nádrž, do které se vypouští horní nádrž nebo se z ní čerpá voda do horní nádrže. Obě dvě tyto nádrže jsou pak spojeny spádovým potrubím, které má velký průměr. Při nedostatku elektrické energie, (zejména v ranních a večerních hodinách) je otevřen kulový ventil a voda proudí do turbíny, která je 25


Petr Matějka

2013

schopna dodávat plný výkon do jedné minuty. Naopak při přebytku elektrické energie (zejména v noci), se z turbíny stává čerpadlo a akumuluje vodu ze spodní do horní nádrže, v tomto režimu se generátor chová jako velký spotřebič napájen z elektrizační soustavy. Z režimu čerpání do režimu výroby elektrické energie je schopna elektrárna přejít za dobu cca. 3 až 6 minut. Elektrárna má v podobě akumulované vody z dolní do horní nádrže statickou funkci, ale stejně i tak dynamickou funkci, která má za účel vyrábět regulační výkon a účastnit se na řízení kmitočtu v soustavě, a v neposlední řadě i funkci kompenzační, která slouží k regulování napětí v soustavě. [20] Celková účinnost novějších přečerpávacích elektráren se šplhá k 80%, jelikož za každou výrobou 1 kWh ve špičkovém provozu je nutné poté v nočních hodinách akumulovat 1,3 kWh do energie vody. V současné době jsou v České republice vystavěny čtyři vodní přečerpávací elektrárny: 

PVE Dlouhé Stráně



PVE Dalešice



PVE Štěchovice II.



PVE Černé jezero

3.1.4 PVE Dlouhé stráně Mají největší instalovaný výkon v Česku a to 650 MW. Je umístěna na horském masívu Hrubého Jeseníku s výškovým rozdílem mezi nádržemi 510,7 metrů. Voda roztáčí dvě Francisovy turbíny, z nichž každé turbosoustrojí má výkon 325 MW. [21] 3.1.5 PVE Dalešice Je umístěna pod hrází Dalešické vodní nádrže se čtyřma reverzními Francisovy turbínami, z nichž každé turbosoustrojí disponuje výkonem 120 MW a spádem 90,7 metrů. Nejčastěji běží pouze dvě turbíny, všechny čtyři běží v době, kdy je odstávka některých tepelných elektráren při poruše či povodni, nebo je odstaven jeden blok Jaderné elektrárny Dukovany. [22]

26


Petr Matějka

2013

3.1.6 PVE Štěchovice II. Má uměle vybudovanou vodní nádrž na kopci Homole se spádem 220 metrů. Voda pohání reverzní Francisovu turbínu spojenou s motorgenerátorem o výkonu 45 MW. [23] 3.1.7 PVE Černé jezero Je to jedna z nejstarších přečerpávacích elektráren v Česku, která byla postavena jako první. Nachází se na Šumavě u obce Hamry. Ve funkci horní nádrže je přírodní Černé jezero. Elektrárna má jednu Peltonovu turbínu, kde na hřídeli je umístěn motorgenerátor Škoda s výkonem 1500 kW a celkový spád činní 247,7 metrů. [24]

Obr. 3.1: Schéma uspořádání přečerpávacích vodních elektráren [25]

3.2 Akumulace citelného tepla Tato akumulace je jedna z historicky nejstarších, a tudíž byla používána jako první. U akumulace s využitím citelného tepla dochází k ohřevu akumulační látky bez změny skupenství a je zde využito měrné teplo akumulační kapaliny. Požadavkem této kapaliny je velká tepelná kapacita a nízká cena. Tyto požadavky splňuje voda, která má měrnou tepelnou kapacitu c přibližně 4,2 kJ/(kg. K). Velikost akumulované energie ve vodě je závislá na výchozí a konečné teplotě vody. Pro výpočet akumulačního tepla lze využít této rovnice:

t2

Q   V . .c.dt = V . .c.(t2  t1 )

(1.1)

t1

kde Q [J] je potřebné množství tepla k ohřátí akumulační látky, V [m3] je objem akumulační

27


Petr Matějka

2013

látky, ρ [kg/m3] je hustota akumulační látky, c [J/kg.K] je měrná tepelná kapacita akumulační látky, t2-1 neboli ∆t [◦C] je rozdíl konečné a výchozí teploty vody. Své uplatnění najde u známých elektrických zásobníkových ohřívačů vody, kde v odporových topných tělesech vzniká teplo průchodem elektrického proudu nebo u akumulačních zásobníků s tepelným výměníkem. Nevýhodou akumulační látky je malé teplotní pracovní rozpětí, ve kterém lze vodu udržovat a také větší velikost zásobníků vody. Velikost hustoty akumulace tepelné energie s využitím citelného tepla je v rozmezí od 100 do 300 MJ/m3. [26, 27]

4 Akumulace energie z pohledu elektrizační soustavy Provoz a stabilita elektrizační soustavy není lehkou záležitostí, protože je kladen důraz na vyrovnanost diagramu zatížení. To znamená, že je potřeba zajistit rovnováhu mezi výrobou a spotřebou elektrické energie v každém časovém okamžiku, proto je nutné regulovat spotřebiče a některé zdroje elektrické energie tak abychom zajistili rovnováhu při maximálních efektivnostech technologických procesů. Z hlediska částečné regulace na straně spotřeby je využívána potencionální energie vody ve vodních přečerpávacích elektrárnách a dalším způsobem je regulace pomocí zavedeného a rozšířeného systému hromadného dálkového ovládání (HDO), zejména elektrotepelných zařízení v domácnostech. Systém HDO byl právě zaveden kvůli velké energetické náročnosti spotřebičů v době, kdy není možný jejich provoz, z důvodu nerovnováhy výroby a spotřeby v ES. [28]

4.1 Systém hromadné dálkové ovládání (HDO) Po České Republice velmi rozšířený systém instalovaný v domácnostech, ale i v průmyslu k regulaci spotřeby elektrické energie na dálku. Lze tak tímto způsobem spínání a odpínání elektrotepelných spotřebičů ovlivnit provaly elektrické energie na denním diagramu zatížení (DDZ), tak aby se poměr mezi maximálním a minimálním zatížením snížil. Systém HDO tak dává možnost změny průběhu DDZ. V ES platí jedna důležitá podmínka, že musí být zajištěna rovnováha mezi výrobou a spotřebou elektrické energie, pokud by nebyla splněna, došlo by poté k rozpadu ES, neboli tzv. ,,blackoutu”. K této rovnováze nám systém HDO pomáhá tak, že v době nedostatku elektrické energie jsou elektrotepelná zařízení odpojena a v době přebytku elektrické energie

28


Petr Matějka

2013

(zejména v noci) jsou sepnuta a distributor elektrické energie nám za tento odběr účtuje nižší sazbu za spotřebovanou energii, tzv. ,,nízký tarif”. [29] 4.1.1 Princip HDO K přenosu informace se používají energetické sítě, po kterých je z vysílače HDO vysílán trojfázově signál s informací ve tvaru impulsního kódu, který má frekvenci v rozmezí 150 – 2500 Hz a poté je superponována v napájecím místě na napětí sítě vysokého, či velmi vysokého napětí s frekvencí 50Hz. Napájecí místo bývá transformovna 110/22 kV nebo 400/110 kV většinou na straně 110 kV nebo 22 kV. Výkon HDO vysílačů se pohybuje u sítí s napětím 110 kV kolem 1,5 MVA a u sítí s napětím 22 kV kolem 250 kVA. Na síť nízkého napětí 400/230 V, se dostane po transformaci. Na tento signál tak reagují všechny přijímače HDO, které mají v sobě nastaven kód, který je vysílán a nese tak určitý typ povelu. [29] 4.1.2 Kódy HDO Kód HDO je složen ze tří čísel, z nichž každé zastupuje jednotlivý ovládací povel. Jejich počet je odlišen v závislosti na vybavení odběrného místa elektrospotřebiče a na přiznané sazbě. U novějších elektroměrů je kód napsán přímo na elektroměru a jednotlivé povely jsou označeny K1 až K4, kde: 

K1 zajišťuje přepínání nízkého tarifu (NT) a vysokého tarifu (VT)



K2

zajišťuje

zapínání

a

vypínaní

elektrického

spotřebiče

(zásobníkového ohřívače vody, akumulační kamna, přímotopné topení) 

K3 zajišťuje zapínání a vypínání dalšího elektrického spotřebiče (např.: spínání ohřívače vody u přímotopných sazeb)



K4 je uzpůsoben k servisním účelům (dnes se používají tyto servisní povely 581, 582, 584, 585, 587, 588, 590 až 596, nebo nově zavedené N81, N82 atd.)

Pokud je však přijímač HDO externí, povely nejsou označeny Kx, ale je nutné je identifikovat na základě pořadí a hodnoty, podobně jako je výše rozepsané K1 až K3, servisní povely pak mohou být před ovládacím kódem nebo za ním. [30]

29


Petr Matějka

2013

4.1.3 Časy spínání HDO Stanovené časy spínání HDO nejsou pro celou Českou Republiku stejné. Časy se dělí podle oblastí a krajů kde zejména firma ČEZ Distribuce, a.s. a firma E.ON Distribuce, a.s. poskytují elektrickou energii. Dále se časy liší podle používaných sazeb, které jsou určené pro dané elektrotepelné spotřebiče a také podle typu povelu. Kód povelu se nachází na elektroměru, či externím přijímači HDO. Například sazby D25d, D26d, C25d, C26d jsou určené pro ohřev teplé užitkové vody nebo nabíjení akumulačních topidel a mají tyto časy spínání v oblasti západ od ČEZ Distribuce, a.s.:

Obr. 4.1: Časy spínání HDO v oblasti západních Čech [31]

Časy vysílaných povelů HDO jsou platné, když je distribuční soustava v základním stavu při normálních provozních podmínkách. V případě neočekávaných situací v distribuční soustavě, kdy je potřeba regulace elektrizační soustavy, můžou být časy spínání lokálně a časově omezeny. 4.1.4 Zařízení k funkci Aby vše fungovalo, musíme mít instalovaný dvou-sazbový elektroměr, u kterého musí být také přijímač HDO, který přepíná tarif mezi vysokým tarifem (VT) a nízkým tarifem (NT), a v neposlední řadě spíná blokový stykač. Blokový stykač je pak připojen na daný spotřebič. 4.1.5 Spotřebiče ovládané systémem HDO Systémem HDO se ovládají zejména spotřebiče elektrotepelné, které mají velký příkon. Mezi nejčastější domácí spotřebiče patří zásobníkové ohřívače vody (bojlery), akumulační kamna, přímotopné vytápění a tepelná čerpadla. 30


Petr Matějka

2013

V průmyslu se systém HDO využívá u spotřebičů, které nejsou výrobního charakteru. Může to být například klimatizace, veřejné osvětlení, či k regulaci pracovního režimu výměníkových stanic. [32]

4.2 Chytrý zásobníkový ohřívač vody Elektrický zásobníkový ohřívač vody OKHE SMART od firmy Dražice, jako člen skupiny Nibe nabízí tzv. ,,chytrý ohřívač vody,,. Ohřev vody je regulován pomocí elektronického termostatu E1, který nabízí několik režimů provozu s využitím připojení na HDO: 

NORMAL (udržuje teplotu vody nastavenou uživatelem v rozmezí 5 - 65◦C)



SMART (ohřev vody probíhá podle návyků uživatele)



SMART HDO (ohřev vody probíhá podle návyků uživatele pouze v době nízkého cenového tarifu)



HDO (voda je ohřívána na nastavenou teplotu pouze v době detekování nízkého cenového tarifu)



ECO (funkce je stejná jako v režimu Normal, akorát maximální teplota je nastaven na 55◦C)



PROG/ANTIFROST (zajišťuje, aby voda v ohřívači neklesla pod 5◦C)

Ohřívač však přináší největší úsporu elektrické energie v režimu SMART HDO. Tato funkce funguje následovně: Na začátku provozu ohřívače v prvním týdnu je teplota vody ohřívána na 65◦C. Termostat zaznamenává po celý týden odběr teplé vody a druhý týden ohřívá vodu podle životního stylu uživatele. To znamená, že na každý den ohřívač nastavuje teplotu zvlášť podle návyků uživatele a to vše v době sepnutí nízkého cenového tarifu elektřiny. [33]

31


Petr Matějka

2013

Obr. 4.2: Chytrý zásobníkový ohřívač vody OKHE SMART Dražice [34]

5 Optimalizace ohřevu z pohledu chytrých sítí 5.1 Aspekty k zavedení chytrých sítí Každým rokem přibývají nároky na výrobu a dodávku elektrické energie. Především výroba elektrické energie z obnovitelných zdrojů bude stoupat, vzhledem ke snižujícím se zásobám fosilních paliv, zvedání jejich cen a v neposlední řadě ke snížení vlivu emisí CO2. Provoz obnovitelných zdrojů má však nevýhody oproti běžným zdrojům na fosilní paliva, a to takové, že jejich četnost, velikost výkonů a hlavně proměnlivost dodávaného výkonu může způsobit nestabilní síť a její následné rozpadnutí. Podle průzkumu Mezinárodní agentury by měl vzrůst podíl vyrobené elektřiny v Evropě z obnovitelných zdrojů z celkové vyrobené elektřiny z hodnoty 13% na 26% do roku 2030. Nároky vzrůstají ovšem také na straně spotřebitele, kdy spotřebitel chce efektivně hospodařit se svojí spotřebou elektrické energie, chce mít přehled o tarifech, které by vyhovovaly jeho požadavkům. Toto však není do budoucnosti možné provozovat bez řídících, regulačních a přenosových změn, z toho důvodu se postupně snaží energetické společnosti vytvářet novou generaci distribučních sítí, které se nazývají smart grids, neboli tzv. chytré sítě. [35]

5.2 Co jsou chytré sítě Chytré sítě jsou označovány ty, které dokážou samy regulovat a řídit přenosovou a distribuční soustavu, bez minimálních zásahů operátora. Jsou schopné přenášet elektrickou

32


Petr Matějka

2013

energii jak z primárních, tak i z obnovitelných zdrojů až ke koncovému spotřebiteli s maximálně efektivním využití obnovitelných zdrojů a tím značné snížení emisí CO2. Další schopností chytrých sítí je detekce přetížení v síti, jež řeší v podobě změny toku elektrické energie nebo v případě poruch též dokáže odklonit elektrickou energii a místo poruchy tak izoluje. Chytrá síť obsahuje plně automatický řídící a kontrolní systém s automatickou obnovou po poruše. Nedílnou součástí jsou informace v reálném čase o přerušení, kvalitě dodávky a celkovém zatížení sítě. Spolu s chytrými elektroměry, které jsou dělané na obousměrnou komunikaci tak spotřebitel, bude dostávat přesné informace o své spotřebě a o výhodných tarifech, kdy je elektřina nejlevnější, či naopak nejdražší, podle aktuální situace v síti. Jeli v síti přebytek energie, zapínají se některé ,,chytré,, domácí spotřebiče, jako například jeden z nejčastěji používaných, kterým je zásobníkový ohřívač vody, dále tepelná čerpadla a mnoho dalších zařízení. Distributor elektrické energie tak má o všem přehled a vlivem automatizace vzniká lepší kontrola nad celou sítí a dochází tak k efektivní spotřebě s maximální možnou úsporou. Síť také umožňuje obousměrný tok elektrické energie ke spotřebiteli i od něj, při jeho vlastním přebytku z malé větrné elektrárny, či solárních panelů. Připojené však budou i veškeré menší elektrárny, které budou dodávat elektrickou energii do sítě nebo naopak odebírat v případě nedostatku. Všechna ta výroba a spotřeba elektřiny bude automatizovaná a soustava bude optimálně regulovaná se spolehlivou dodávkou a efektivní spotřebou elektřiny. [35]

5.3 Chytrý elektroměr a jeho použití Smart meter neboli, chytrý elektroměr dělá tu samou práci jako analogový elektroměr, na který jsme zvyklí: měří a zaznamenává spotřebu elektrické energie. Rozdíl je v tom, že využívá obousměrnou komunikaci mezi distributorem elektrické energie a naším domovem. Pravidelně poskytuje hodnoty distributorovi a spotřebu poté můžeme vidět se zpožděním online nebo ihned na obrazovce chytrého elektroměru. Jelikož je komunikace obousměrná, může být dálkově aktualizován k poskytnutí technických vylepšení. Naměřené hodnoty posílá elektroměr pomocí radiové frekvence do koncentrátoru RF, kde se shromaždují data z více elektroměrů a ty jsou následně poslány energetické společnosti pomocí vysokorychlostního paketového spojení Broadband po pevném komunikačním vedení. Nejefektivnější využití chytrého elektroměru je spojení s inteligentním domem, kde na elektroměr jsou napojeny ,,chytré spotřebiče”, jako například: zásobníkový ohřev vody,

33


Petr Matějka

2013

pračka, myčka, klimatizace, sporák, nabíjení elektromobilu a v neposlední řadě fotovoltaické panely, či malá větrná elektrárna. [35]

Obr. 5.1: SmartMeter [36]

5.4 Chytré sítě v České Republice V roce 2010 přišla energetická společnost ČEZ s prvním projektem ,,Smart Region’’, který je soustředěn na distribuční síť ve Vrchlabí. V průběhu pěti let chce společnost ČEZ zavést zhruba 4,5 tisíce chytrých elektroměrů do vrchlabských domácností a podniků a instalovat plnou automatizaci a monitoring distribuční sítě se zapojením místních zdrojů elektrické energie. Monitoring bude prováděn na síti nízkého a vysokého napětí a distribučních trafostanicích, které v případě výpadku dokážou odklonit tok elektrické energie. Spotřebitelé ve Vrchlabí budou tak mít mnohem větší přehled o své spotřebě a změně tarifů, které budou k dispozici na míru každého zákazníka. Další součástí je výstavba více dobíjecích míst pro elektromobily a poskytnutí městu několik elektromobilů. Do pěti let by tento region měl být prvním inteligentním místem v České Republice. [37]

Závěr Práce poukázala na všechny možné druhy a způsoby ohřevu teplé užitkové vody, které se využívají jak v domácnostech, v průmyslu, tak i pro zásobování města, či sídliště. Ze všech způsobů ohřevu vyplývá, že nejpoužívanějšími spotřebiči v rodinných domech, bytech a chatách převládá zásobníkový ohřev teplé užitkové vody, ať už elektřinou ohřívaná voda, či ohřívaná voda přes tepelný výměník z kotle na tuhá paliva nebo plynovým kotlem. Druhým hodně využívaným spotřebičem je průtokový ohřev vody, který musí být správně navrhnut s ohledem na spotřebu a energetickou náročnost. Naopak při ohřevu vody pro města, je voda ohřívaná párou z kotle na tuhá paliva a ta poté putuje do výměníkových stanic. Jako druhý

34


Petr Matějka

2013

způsob masivního ohřevu vody se prosazuje elektrodový ohřev, kde vodou prochází přímo elektrický proud. Dále jsem poukázal na účinnost dvou vybraných způsobů ohřevu výpočtem. Vodu jsem ohříval elektrickou energií a poté topnou vodou přes výměník. Vypočtená účinnost elektrického ohřevu vyšla 100%, avšak udávající účinnost se pohybuje okolo 96-98%, tento procentní rozdíl může být dán nezapočítáním tepelných ztrát do výpočtu. Z výsledku účinnosti ohřevu přes tepelný výměník, vyplývá, že dodané teplo výměníku nepředá veškerou energii ohřívané vodě a tepelné ztráty jsou u tohoto ohřevu značné. Pojem akumulace energie do vody jsem pojal způsobem akumulování tepelné energie do akumulační látky a druhým zcela odlišným způsobem akumulování elektrické energie v podobě potencionální energie vody. Důvodem akumulování tepelné energie do vody a tudíž používání zásobníkových ohřívačů vody je ten, že voda má nejvyšší měrnou tepelnou kapacitu z používaných materiálů na akumulaci energie, a proto voda dokáže pojmout velké množství tepelné energie. Práce je ovšem zaměřena i na napojení elektrických zásobníkových ohřívačů vody do elektrizační soustavy se systémem HDO, který umožňuje částečné regulování diagramu denního zatížení a zajištění tak rovnováhy mezi výrobou a spotřebou. Tento systém je v České Republice hojně využívaný, avšak pomalu stárne, naproti tomu chytré sítě by měly do budoucna vyřešit hospodárnější nakládání s elektrickou energii a s jejím regulováním a řízením. S takovými sítěmi mají zkušenosti energetické společnosti na území Kalifornie, kde fungují velice dobře. U nás ovšem v České Republice je zatím osazován chytrými elektroměry jeden region a to Vrchlabí, který je testován a měřen, zdali lze tyto sítě rozvinout i u nás. Problémem ve Vrchlabí je přenos dat z elektroměru k distributorovi, z důvodu poměrně rozsáhlých sítí, které jsou špatně impedančně zakončené a signál je značně tlumen. Proto data chodí se značným zpožděním k ditributorovi, nicméně tento problém se intenzivně řeší a výsledná veškerá komunikace by se měla odehrávat na silovém vedení, do roku 2015 má být síť kompletně vybudována. Po určitém měřeném období se projeví, zdali zavedení chytré sítě bylo přínosem, či ne. Pokud bude vše samostatně provozu schopné a ekonomicky výhodné, pak by neměl být problém s celoplošným instalováním těchto technologií. 35


Petr Matějka

2013

Seznam literatury a informačních zdrojů [1]

Elektrotepelná technika. Praha: SNTL, 1985, s. 66-130. ISBN L25-C3-IV-41f/58593.

[2]

Zásobníkové ohřívače teplé užitkové vody TUV - bojlery. Instalatérské práce | Instalatér voda -kanalizace - plyn - topení [online]. [cit. 2013-05-26]. Dostupné z: http://www.vodari.eu/voda/ohrivace-vody/bojlery.php

[3]

Ohřev vody. TZB-info [online]. 2013, 13.3. [cit. 2013-05-26]. Dostupné z: http://voda.tzb-info.cz/docu/clanky/0082/008273o5.jpg

[4]

PŘÍPRAVA TEPLÉ VODY. Hestia VIVID 5 [online]. [cit. 2013-05-26]. Dostupné z: http://hestia.energetika.cz/encyklopedie/img/img095.gif

[5]

Rozvody vody v hotelu. Brno, 2011. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav technických zařízení budov.

[6]

Průtokové ohřívače teplé užitkové vody TUV. Instalatérské práce | Instalatér voda kanalizace - plyn - topení [online]. [cit. 2013-05-26]. Dostupné z: http://www.vodari.eu/voda/ohrivace-vody/prutokove-ohrivace.php

[7]

Mirava. Www.mirava.cz [online]. [cit. 2013-05-26]. Dostupné http://www.mirava.cz/repository/images/produkty_po/ma1pk/typ_ma1pk.jpg

[8]

Plynové spotřebiče. TZB-info [online]. 2004 [cit. 2013-05-26]. Dostupné z: http://www.tzb-info.cz/2019-plynove-spotrebice-i

[9]

PŘÍPRAVA TEPLÉ VODY. Hestia 5.0 VIVID - Encyklopedie 2008 [online]. [cit. 2013-05-26]. Dostupné z: http://hestia.energetika.cz/encyklopedie/img/img094.png

[10]

Elektrotepelná technika [online]. Praha, 2011 [cit. 2013-05-26]. ISBN 978-80-0104938-9. Dostupné z: k315.feld.cvut.cz/CD_MPO/CVUT-3-Elektrotepelna.pdf

[11]

Výměníky tepla. Regulus [online]. http://www.regulus.cz/cz/vymeniky-tepla

[12]

Výměníky tepla. Brno, 2010. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav.

[13]

Deskové výměníky tepla. Vysoká škola chemicko - technologická v Praze [online]. [cit. 2013-05-26]. Dostupné z: http://www.vscht.cz/uchi/echi/vt/obr11.gif

[14]

Princip tepelného čerpadla. Tepelná čerpadla AC Heating [online]. [cit. 2013-05-26]. Dostupné z: http://www.ac-heating.cz/princip-tepelneho-cerpadla.htm

[15]

Tepelná čerpadla. Regulus [online]. [cit. http://www.regulus.cz/cz/tepelna-cerpadla-regulus

[16]

Jak funguje tepelné čerpadlo?. Servis chlazení [online]. 2011 [cit. 2013-05-26]. 36

[cit.

2013-05-26].

2013-05-26].

Dostupné

Dostupné

z:

z:

z:


Dostupné 38.jpg

z:

Petr Matějka

2013

http://www.servis-chlazeni.com/wp-content/uploads/2011/09/obrorig-

[17]

Solární systémy. Solární ohřev vody, tuv, solární vytápění domu, solární systém pro rodinný dům, solární panely, solární kolektory, solární systém na klíč [online]. c 2013 [cit. 2013-05-26]. Dostupné z: http://www.solarni-system.eu/obrazky/schemata/ov.jpg

[18]

Systém centralizovaného zásobování teplem [online]. [cit. 2013-05-26]. Dostupné z: http://www.pltep.cz/upload/File/kniha_o_sczt.pdf

[19]

Dražice OKC 125 - ohřívač vody kombinovaný zásobníkový OKC 125 - 120 l závěsný, svislý. Sanita a topeni.cz [online]. [cit. 2013-05-26]. Dostupné z: http://www.sanitaatopeni.cz/deploy/files/okc-rez2.png

[20]

Přečerpávací vodní elektrárna. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001-[cit. 2013-06-02]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/P%C5%99e%C4%8Derp%C3%A1vac%C3%AD_vodn% C3%AD_elektr%C3%A1rna

[21]

Přečerpávací vodní elektrárna Dlouhé Stráně. ČEZ Distribuce [online]. [cit. 201306-02]. Dostupné z: http://www.cez.cz/cs/vyroba-elektriny/obnovitelnezdroje/voda/dlouhe-strane.html#!&zoom=12

[22]

Přečerpávací vodní elektrárna Dalešice. ČEZ Distribuce [online]. [cit. 2013-06-02]. Dostupné z: http://www.cez.cz/cs/vyroba-elektriny/obnovitelnezdroje/voda/dalesice.html

[23]

Vodní elektrárny Štěchovice. ČEZ Distribuce [online]. [cit. 2013-06-02]. Dostupné z: http://www.cez.cz/cs/vyroba-elektriny/obnovitelne-zdroje/voda/stechovice.html

[24]

Černé jezero. ČEZ Distribuce [online]. [cit. 2013-06-02]. Dostupné http://www.cez.cz/cs/vyroba-elektriny/obnovitelne-zdroje/voda/cerne-jezero.html

[25]

Cesty k akumulaci elektrické energie. Energyweb [online]. [cit. 2013-06-02]. Dostupné z: http://www.energyweb.cz/web/EE/images/06/61_06.gif

[26]

Akumulace tepelné energie - fyzikální principy. TZB-info [online]. 2003 [cit. 2013-0602]. Dostupné z: http://www.tzb-info.cz/1482-akumulace-tepelne-energie-fyzikalniprincipy

[27]

Akumulace tepla v solárních tepelných soustavách. Brno, 2011. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav.

[28]

Elektrizační soustava [online]. [cit. 2013-06-02]. z:http://home.pilsfree.net/fantom/FEL/MR/FEL_CVUT/lekce02_06.pdf

[29]

Říjen 2005. 3Pol [online]. [cit. 2013-06-02]. Dostupné z: http://3pol.cz/388

[30]

Význam jednotlivých čísel kódu HDO. PRE Distribuce [online]. [cit. 2013-06-02]. Dostupné z: http://www.predistribuce.cz/distribuce/sluzby-a-ceny/sluzby/hdo/vyznam-

37

z:

Dostupné


Petr Matějka

2013

cisel-kodu.html [31]

Časy spínání HDO ke stažení. ČEZ Distribuce [online]. [cit. 2013-06-02]. Dostupné z: http://www.cezdistribuce.cz/cs/technicky-dispecink/hdo/casy-spinani-hdo-kestazeni.html

[32]

HDO. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-06-02]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/HDO

[33]

Ohřívače vody - bojlery OKHE SMART. DZD Dražice [online]. [cit. 2013-06-02]. Dostupné z: http://www.dzd.cz/index.php/cs/ohrivace-vody-bojlery/elektrickeohrivace-vody/zavesne-svisle/okhe-smart

[34]

Ohřívače vody - bojlery OKHE SMART. DZD Dražice [online]. [cit. 2013-06-02]. Dostupné z: http://www.dzd.cz/images/sortiment/inteligentni-ohrivac-vody-selektronickym-termostatem.jpg

[35]

Chytré sítě, chytré spotřebiče a akumulace elektrické energie. Brno, 2010. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav.

[36]

SmartMeter™ Network—How It Works. PGE [online]. [cit. 2013-06-02]. Dostupné z: http://www.pge.com/web/includes/images/myhome/customerservice/meter/smartmeter /electric.jpg

[37]

Inteligentní sítě vstupují do České Republiky. ČEZ Distribuce [online]. [cit. 2013-0602]. Dostupné z: http://www.cez.cz/cs/pro-media/tiskove-zpravy/770.html

38

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROMECHANIKY A VÝKONOVÉ ELEKTRONIKY BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Recommend Documents